Calcolo dinamico orario per la valutazione del comfort e la regolazione degli impianti in pompa di calore
Nell’articolo Pompe di calore su impianti a radiatori: qual è la temperatura di mandata ottimale? si spiega come il modo di condurre l’impianto termico incida sul funzionamento e l’efficienza degli impianti a pompe di calore e sia decisiva per valutare la fattibilità della sostituzione del generatore di calore.
Tramite il calcolo mensile semi-stazionario secondo UNI TS 11300 è possibile valutare la copertura del carico energetico e il dimensionamento della pompa di calore ma si può approfondire ulteriormente l’analisi utilizzando il calcolo dinamico orario dell’involucro secondo la norma UNI EN ISO 52016.
Il calcolo dinamico orario ha come principali risultati la temperatura interna dell’aria e la temperatura media radiante, la quale fornisce una valutazione semplificata della temperatura superficiale delle strutture che delimitano i locali di una zona termica: la media fra queste due temperature determina la temperatura media operante.
Si intuisce la principale differenza fra il calcolo orario e quello mensile: nel calcolo mensile il risultato è costituito da perdite e guadagni di energia, il cui bilancio determina la domanda energetica dell’involucro che dovrà essere soddisfatta dall’impianto termico. Non si determina quindi la temperatura interna, che di fatto è un dato di input necessario allo svolgimento del calcolo.
Le temperature determinate nel calcolo dinamico orario possono essere determinate ad impianto spento e ad impianto in funzione con potenza illimitata o con potenza reale. Con l’impianto in funzione è possibile condurre il calcolo considerando dei set point di temperatura media operante che potranno essere assicurati dalla presenza di un impianto di riscaldamento e raffrescamento. La potenza considerata potrà essere potenzialmente “illimitata”, individuando la potenza necessaria a soddisfare il set point di temperatura in ogni singola ora interna, oppure a potenza "reale", considerando una potenza a disposizione pari a quella realmente fornita dall’impianto.
In caso di passaggio da caldaia a pompa di calore su un impianto a radiatori risulta quindi interessante valutare l’andamento della temperatura interna ottenibile con la potenza a disposizione dell’impianto. Per condurre questo tipo di analisi è indispensabile settare il profilo interno di utilizzo dell’unità immobiliare. È necessario definire il profilo per una settimana tipo (con possibilità di impostare eventuali periodi speciali) in cui specificare in ognuna delle 24 ore i set point di temperatura, gli apporti interni dovuti alla presenza delle persone e all’utilizzo di apparecchiature e illuminazione con i relativi fattori di occupazione e di utilizzo.
Profilo giornaliero attenuato (18°C - 20°C) utilizzato per il calcolo dinamico orario.
Una volta settato il profilo interno si procede con il calcolo dinamico orario dell’involucro con impianto a potenza reale. La potenza considerata sarà quella dei radiatori rilevata durante il sopralluogo dell’unità immobiliare espressa al delta ΔT lato aria con cui si desidera far lavorare l’impianto. Nella simulazione di funzionamento in pompa di calore è stata considerata la potenza espressa a un ΔT lato aria pari a 25°C, rappresentativo di una temperatura di mandata massima di 50°C con ΔT lato acqua pari a 10°C.
Possiamo così valutare l’andamento della temperatura media operante rispetto ai set point di temperatura definiti nei profili. Il grafico seguente confronta l’andamento della temperatura interna operante rispetto al set point per la settimana dal 10 al 17 gennaio. In nero è rappresentata la temperatura interna operante mentre in rosso la temperatura interna impostata come set point del profilo.
Temperatura interna operante VS temperatura di set point determinata dal 10 al 17 gennaio. Calcolo dinamico orario a potenza reale.
L’impianto condotto in tal modo non soddisfa il comfort desiderato dal committente: la temperatura media operante risulta per svariate ore inferiore rispetto al set point. Tale situazione non dipende dalla potenza installata della pompa di calore ma unicamente dal regime di funzionamento e dalla potenza disponibile ai radiatori per il funzionamento in pompa di calore.
Quali sono le soluzioni possibili?
L’isolamento dell’involucro e l’aumento della potenza dei corpi scaldanti (con la verifica che l’aumento di portata dell’impianto sia gestibile dalla rete di distribuzione esistente) rappresentano le possibili soluzioni che consentirebbero di migliorare il comfort interno. Valutiamo la prestazione offerta dall’impianto impostando un funzionamento continuo.
Profilo giornaliero continuo (20°C) utilizzato per il calcolo dinamico orario.
Temperatura interna operante VS temperatura di set point determinata annuale. Calcolo dinamico orario a potenza reale.
L’aumento del numero di ore di funzionamento dell’impianto richiede potenze inferiori per soddisfare i set point di temperatura: anche la limitata potenza dei radiatori con funzionamento in pompa di calore sarà in grado di soddisfare le condizioni di comfort. La temperatura interna operante soddisfa in ogni ora dell'anno i set point impostati nel profilo.
Il funzionamento in continuo dell’impianto termico può essere una valida soluzione per consentire il passaggio da caldaia a pompa di calore di molti impianti a radiatori esistenti garantendo il comfort interno senza richiedere ulteriori interventi migliorativi.
Il committente potrebbe richiedere all’impianto in pompa di calore una prestazione che consenta di ottenere il maggior risparmio possibile in termini di spesa energetica. In presenza di un impianto fotovoltaico infatti è interessante valutare un funzionamento della pompa di calore limitata alle sole ore giornaliere per sfruttare al massimo l’autoconsumo di energia elettrica prodotta. Inoltre, durante la giornata, si registrano temperature esterne maggiori rispetto a quelle notturne, a tutto vantaggio dei COP con cui la pompa di calore andrà a lavorare. Occorre al contempo fare i conti con le ore di spegnimento notturne, nelle quali si avrà inesorabilmente un calo della temperatura interna. L’obiettivo in questo caso sarà quello di avere un calo della temperatura interna ed un periodo di ripresa dell’impianto limitati.
Per limitare il calo della temperatura interna influisce sicuramente avere un involucro isolato o meglio ancora una buona capacità termica areica interna dell’involucro. La capacità termica areica interna (kJ/m²K) indica la quantità di calore che è possibile accumulare nei primi stati interni di una stratigrafia. Forzando l’impianto ad un funzionamento durante le ore diurne, sarà possibile caricare energeticamente i primi strati interni delle stratigrafie della zona termica senza andare in sovratemperatura. Durante le ore notturne l’impianto smetterà di introdurre energia termica nella zona pertanto gli strati interni cederanno l’energia accumulata durante le ore giornaliere limitando l’abbassamento della temperatura interna.
Nell’immagine seguente vengono confrontate le prestazioni fornite da due strutture differenti ma dotate di simile trasmittanza. La struttura a sinistra presenta un intonaco massivo in terra cruda, laterizio ed isolante esterno in sughero, quella a destra è invece isolata dall’interno ed è dotata di un normale intonaco di cemento e sabbia. Le differenze delle caratteristiche termiche dinamiche ma soprattutto di capacità termica areica interna sono evidenti.
Caratteristiche termiche dinamiche e capacità termica areica interna di strutture dotate di diversa stratigrafia ma simile valore di trasmittanza.
Confrontiamo quindi l'andamento della temperatura interna determinabile con il calcolo dinamico orario: durante lo spegnimento notturno dell'impianto, nel caso della struttura dotata di bassa capacità termica areica interna, la temperatura interna scenderà a valori di temperatura più bassi.
Temperatura interna calcolata dal 10 al 17 gennaio con spegnimento notturno dell'impianto in presenza di strutture ad elevata capacità termica.
Temperatura interna calcolata dal 10 al 17 gennaio con spegnimento notturno dell'impianto in presenza di strutture a bassa capacità termica.
Alla ripresa del funzionamento dell’impianto sarà necessario disporre di una maggiore potenza dei radiatori rispetto ad un funzionamento in continuo per evitare tempi troppo lunghi necessari al ripristino della temperatura interna di set point.
Per un funzionamento dell’impianto che premi l’autoconsumo del fotovoltaico ed un funzionamento della pompa di calore durante le ore più calde della giornata occorrono:
- Involucro isolato e composto da materiali interni massivi in grado di aumentare la capacità termica areica interna
- Maggiorazione della potenza dei corpi scaldanti per ridurre i tempi necessari al rispristino della temperatura di set point
Nel calcolo a potenza reale la temperatura interna viene calcolata tenendo conto della potenza che l’impianto è effettivamente in grado di fornire. In ogni ora, oltre alla temperatura, viene pertanto calcolata anche la potenza emessa.
Sommando le potenze orarie nel corso delle 24 ore giornaliere possiamo determinare la domanda energetica giornaliera, mentre sommando le potenze orarie di un intero mese possiamo determinare il fabbisogno energetico mensile.
Si tratta concettualmente dello stesso risultato che si ottiene dal calcolo mensile secondo UNI TS 11300, ma calcolato in modo del tutto di diverso e con una possibilità di dettaglio nettamente superiore.
A questo punto, una volta determinata la domanda energetica, che sia con calcolo mensile oppure orario, è possibile procedere verso il dimensionamento, ovvero nella scelta della taglia della pompa di calore. Il metodo da utilizzare sarà quello della firma energetica.